环氧树脂沥青与环氧树脂沥青相容性研究

环氧树脂沥青与环氧树脂沥青相容性研究

近年来，正交公平钢桥的优良性能在大型跨径钢桥的建设中得到了广泛应用。由于大跨径钢桥梁所处的特殊环境,桥面温度变化跨度大,对铺装材料的要求苛刻,普通改性沥青难以满足其铺装要求。环氧沥青是一种热固性的铺装材料,从根本上改变了普通改性沥青热塑性的特点,与普通改性沥青相比,有着更好的路用性能,如较好的高温抗车辙和低温抗开裂能力,优良的抗疲劳性及耐老化等。因此,环氧沥青被广泛的应用于大跨径钢桥面的铺装。而环氧树脂与沥青的溶解度参数相差较大,导致两者相容性较差,直接混合易发生离析。要制备性能优异的环氧沥青铺装材料,需要改善环氧树脂和沥青的相容性,目前主要有2种途径:一是在环氧树脂和沥青混合物中加入与两者相容性都较好的第三相,降低两者界面张力,从而促进沥青的分散;二是在沥青分子上接枝极性基团,减小环氧树脂和沥青的溶解度参数差,以使两者混容。本文研究了在环氧树脂和沥青混合物中加入十二烷基苯磺酸钠和通过在沥青分子上引入极性基团对环氧树脂与沥青相容性的影响,以期获得相容性较好的环氧沥青混合物。十二烷基苯磺酸钠是一种阴离子表面活性剂,与极性较强的环氧树脂和极性较弱的沥青都有较好的相容性,能够降低两者的界面张力,使沥青分散更均匀。马来酸酐一方面有碳碳双键,具有参与自由基和光化学反应的能力;另一方面其酸酐基团可以和含有活泼氢的一些分子反应,可以接枝到聚合物链上。用马来酸酐对沥青进行改性,将极性的酸酐基团接枝到沥青分子上,提高沥青的极性,降低环氧树脂和沥青的溶解度参数差别,改善两者的相容性。1实验部分1.1化学试剂及试剂基质沥青,中海AH-90,中海沥青股份有限公司;秦皇岛AH-90,中石油燃料油秦皇岛厂;环氧树脂E51,蓝星化工新材料股份有限公司无锡树脂厂;十二烷基苯磺酸钠,AR,国药集团化学试剂有限公司;伊朗抽出油,上海博琪科贸有限公司;马来酸酐,AR,国药集团化学试剂有限公司。1.2改性沥青设备1.2.1环氧沥青混合物的制备向中海AH-90沥青中加入质量百分比(外掺)分别为0%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的十二烷基苯磺酸钠,在135±5℃的温度下高速剪切30min,然后将环氧树脂与沥青按1∶3的质沥青比混合,高速剪切5min,制得环氧沥青混合物。1.2.2沥青的制备反应在三口烧瓶中进行,分别接入机械搅拌器,回流冷凝器(75~85℃温水回流)和通氮气。将沥青(秦皇岛AH-90与伊朗抽出油按质量比1∶1混合,在130~140℃搅拌30min)加热到反应温度(120~160℃),加入适量的马来酸酐恒速搅拌反应4~6h。再将环氧树脂与MAH沥青按1∶1的质量比混合并在135±5℃搅拌30min,制得顺酐化环氧沥青。1.3环保沥青路的适应性1.3.1样品固化和固化称取加热到流动状态的改性沥青(50±0.5)g,注入竖立的铝管中,在(163±5)℃的烘箱中静置24h,取出盛样管竖立置于温度低于-2℃的冰箱中冷冻不少于4h至样品完全固化。然后将盛样管切成相等的3截,取上端和下端的试样分别放入(163±5)℃的烘箱中至样品充分流动,按GB/T06062011分别测试上下段试样软化点,从而得到上下端软化点差。1.3.2荧光显微镜分析将制备好的改性沥青与环氧树脂在一定温度下按特定比例混合搅拌均匀,用玻璃棒将热的试样滴在载玻片上,盖上盖玻片,待试样冷却凝固成膜后置于荧光显微镜下,观测环氧树脂在沥青中的分散情况。实验所用荧光显微镜为OLYMPUSBX51。2结果与讨论2.1增容剂对环氧树脂混合的适应性的影响2.1.1增强环氧树脂与沥青的协同性表1为不同掺量的增容剂对环氧沥青混合物离析实验的影响。从表1可以看出未加入增容剂时,环氧树脂与沥青离析较严重;加入增容剂后,环氧沥青混合物上下端软化点之差明显降低,离析减少。表明的增容剂对环氧树脂与沥青的相容性有较明显的改善作用。当增容剂掺量达到1%后,继续增大增容剂的掺量,上下端软化点之差减小较少,对两者相容性的进一步改善作用不明显。2.1.2增容剂对环氧树脂和沥青的结构特征用荧光显微镜观察环氧树脂和沥青混合物时,选择蓝色光作为激发光。在蓝光区段,环氧树脂有黄绿色荧光被激发出来,而沥青很少有被激发的荧光出现。观察的结果是环氧树脂相为黄绿色,沥青相为黑色,同时由于是反射光场,聚合物在沥青中的形态不会被破坏,可以真实地观测环氧树脂在沥青中的形态结构。图1为加入不同掺量的增容剂的环氧沥青混合物的荧光显微镜照片。图中白色颗粒为环氧树脂,黑色连续相为沥青。由图1可以看出,当未加入增容剂时,环氧树脂相畴粗大,颗粒尺寸跨度大,分散不均匀。加入增容剂后,环氧树脂颗粒尺寸明显变小,团聚减少,分散变得均匀,且随着增容剂掺量的增加,环氧树脂颗粒尺寸减小,同时分散更均匀。说明增容剂能够减小环氧树脂和沥青两相的界面张力,提高环氧树脂和沥青的相容性。当增容剂掺量达到1%(图1(c))时,环氧树脂和沥青表现出很好的相容性。增容剂十二烷基苯磺酸钠是一种表面活性物质,极性较弱的烷基链与沥青分子互相吸引,而极性较强的磺酸基团与环氧树脂互相吸引,从而使环氧树脂与沥青能够较好的融和在一起,增强两者的相容性。当增容剂十二烷基苯磺酸钠浓度增加到一定程度(达到临界胶束浓度),其烷基链缔合形成胶束,进一步增容作用降低。2.2顺酸对环氧树脂条件下混合胺的影响2.2.1离析试验结果表2为环氧树脂与不同MAH掺量沥青的离析结果。由表2可知,环氧树脂与未顺酐化的沥青混合物经离析后上下端软化点之差较大,这主要是因为两者极性相差大,导致两者相容性差,同时在25℃时环氧树脂E51的密度大于沥青的密度(ρ随着马来酸酐掺量的增加,混合物离析试验后上下端软化点之差略有增大。推测是因为马来酸酐的密度(ρ2.2.2增容剂对沥青的分散相颗粒尺寸的影响图2是环氧树脂与不同掺量马来酸酐沥青的荧光显微镜照片。环氧树脂与顺酐化沥青按质量比1∶1混合,形成以沥青为分散相,环氧树脂为连续相的两相结构。未顺酐化的沥青与环氧树脂形成的混合物结构中,沥青颗粒尺寸较大且分散不均一,经顺酐化的沥青与环氧树脂形成的混合物沥青颗粒尺寸明显减小并且分散更均匀,表明环氧树脂与沥青相容性得到明显改善。当马来酸酐掺量达到4%后,环氧树脂与沥青已达到很好的相容性,继续增大马来酸酐掺量,对两者相容性的改善没有明显的作用。这可能是因为当马来酸酐掺量达到一定比例后,其在沥青分子上的接枝率达到最大值,继续增加马来酸酐掺量,马来酸酐不能再与沥青分子反应。通过以上试验结果可知,在沥青中加入增容剂十二烷基苯磺酸钠或采用顺酐化的方法都对改善环氧树脂与沥青的相容性有一定效果。但是加入增容剂对环氧树脂和沥青的混合物的离析降低更明显,同时从荧光微观镜照片来看,加入增容剂后环氧树脂与沥青分散更加均匀,并且分散相颗粒更小。因而,在沥青中加入一定量的增容剂对改善环氧树脂与沥青的相容性的改善优于将沥青顺酐化的方法。3对沥青的分散性能(1)增容剂能够减少环氧沥青的离析,使分散相颗粒尺寸减小,同时分散均匀,改善环氧树脂与沥青的